Buck Converter

Buck Converter

 입력 전압에 대해 출력 전압을 낮춰 사용하기 위한 회로로, 강압형 컨버터, step down converter라고도 부른다.

Bcuk converter는 스위칭용 MOSFET, 다이오드, 인덕터, 커패시터, 그리고 Mosfet을  ON/OFF시키기 위한 PWM controller 로 구성된다.

 

 

PWM ON일때 전류 흐름

MOSFET ON되어 Vm 노드 전압이 Vin과 같아진다. 전류는 L을 통해 흐르고 충전된다.

펄스 On일 때, 인덕터에 걸리는 전류 Ion의 수식. On시간이 클수록 전류의 값이 증가한다.

이때 인덕터 값 L이 크면 클수록 전류는 점점 더 선형적으로 증가한다.

 

 

PWM 펄스가 OFF일 때

MOSFET이 ON일 때, 인덕터 L에 전류가 저장되어 있었다. MOSFET이 OFF가 될 경우, 저장했던 전류가 방전된다.

전류는 C와 Rload를 통해 흐르고, 다이오드를 통해 Vm으로 흐르면서 path를 형성한다.

이 때 Vm은 다이오드의 전압 드롭 0.7을 고려해 -0.7V가 된다.

MOSFET OFF상태 일때 인덕터 전류 수식. 인덕터 L값이 충분히 큰 경우 전류의 흐름 IL이 작아지므로 Vm은 Vin과 거의 동일한 전압이 된다.

 

 

 

펄스 ON/OFF에 따른 각 노드 전류 전압 그래프

 

 

Vout 값을 결정짓는 Duty 팩터

Vout값은 Vin과 Duty의 곱으로 표현된다. 이 때 Duty는 펄스 파형의 한 주기 T동안 On되어 있는 시간을 퍼센트로 표현한 값이다.

 

 

 

IC를 활용한 Buck Converter 예

 

 

 

 

MOSFET을 활용한 Buck Converter 회로

위의 회로에서 다이오드를 사용하면 효율 측면에서 굉장히 큰 손실을 보기 때문에 보통 다이오드 자리에 MOSFET을 사용한다.

펄스 High일 때는 동일한 PMOS를 따라 Iout이 흐르므로 동일한  전력을 소모한다.

펄스 Low일 때는 전류 Iout이 다이오드를 통해 0.5v 수준의 전압을 소모한다. 이 때 다이오드 대신 NMOS를 사용하면 NMOS가 ON 되었을 때 Ron 저항 값이 mohm 수준이기 때문에 굉장히 미약한 전압을 소모하게 된다. 

Ron값은 일반적으로 수십 mohm 수준이기 때문에 다이오드를 사용할 때보다 대략 50배의 전력 소모를 줄일 수 있게 된다. 따라서 효율 측면에서 MOSFET이 압도적으로 유리하게 된다.

 

 

 

 

출처 : https://analog-circuit-design.tistory.com/entry/22-Buck-Converter-%EB%B2%85-%EC%BB%A8%EB%B2%84%ED%84%B0-%EC%89%BD%EA%B2%8C-%EC%9D%B4%ED%95%B4%ED%95%98%EA%B8%B0